2.2.11 Σύνδεση Ηλεκτρικών Πηγών
Τι συμβαίνει όταν συνδέουμε μπαταρίες ή πηγές μεταξύ τους; Γιατί χρειάζονται διαφορετικοί τρόποι σύνδεσης ηλεκτρικών πηγών;
Στις φορητές ηλεκτρικές συσκευές, ραδιόφωνα, τηλεχειριστήρια, φακούς κτλ. παρατηρούμε ότι χρησιμοποιούνται περισσότερες από μία μπαταρίες για τη λειτουργία τους. Αυτό συμβαίνει επειδή μία και μόνο μπαταρία δεν αρκεί για τη λειτουργία της συσκευής, είτε γιατί η ηλεκτρεγερτική της δύναμη δεν είναι αρκετή ή γιατί το φορτίο της δεν είναι αρκετό (το ρεύμα που μπορεί να παρέχει).
Η σύνδεση των ηλεκτρικών πηγών μπορεί να γίνει με 3 τρόπους:
- Σύνδεση πηγών σε σειρά,
- σύνδεση πηγών παράλληλα, και
- μικτή συνδεσμολογία πηγών.
Σύνδεση πηγών σε σειρά
Η σύνδεση των πηγών σε σειρά γίνεται αν συνδέσουμε τον αρνητικό πόλο της πρώτης πηγής με το θετικό πόλο της δεύτερης πηγής, τον αρνητικό της δεύτερης με το θετικό της τρίτης κ.ο.κ., έτσι ώστε από όλες τις πηγές να διέρχεται το ίδιο ρεύμα. Προκύπτει έτσι μια συστοιχία πηγών. Θετικός πόλος της συστοιχίας είναι ο θετικός πόλος της πρώτης πηγής και αρνητικός πόλος της συστοιχίας είναι ο αρνητικός πόλος της τελευταίας πηγής.
- Η ισοδύναμη ηλεκτρεγερτική δύναμη ισούται με το άθροισμα των ΗΕΔ των πηγών
Eολ = E1 + E2 + E3 + E4 + E5
- η εσωτερική αντίσταση της ισοδύναμης πηγής ισούται με το άθροισμα των εσωτερικών αντιστάσεων των πηγών.
rολ = r1 + r2 + r3 + r4 + r5
Εάν έχουμε ν ίδιες πηγές συνδεδεμένες σε σειρά και η κάθε μία έχει ΗΕΔ Ε και εσωτερική αντίσταση r, τότε η ισοδύναμη ΗΕΔ της συστοιχίας και η ισοδύναμη εσωτερική αντίσταση δίνονται από τις σχέσεις :
- Η σύνδεση των πηγών σε σειρά γίνεται, όταν η συσκευή που τροφοδοτείται χρειάζεται τάση λειτουργίας μεγαλύτερη από την ΗΕΔ της κάθε πηγής ξεχωριστά.
- Στη σύνδεση σε σειρά το ρεύμα που διαρρέει τις πηγές, διαρρέει και τον καταναλωτή.
Παράδειγμα
Για το διπλανό κύκλωμα με Ε1 = Ε2 = Ε3 = 2 volt και r1 = r2 = r3 = 1 Ohm να υπολογιστεί:
α) Η ισοδύναμη Ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής Εολ.
β) Η ισοδύναμη Εσωτερική αντίσταση rολ.
γ) Η Ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος Ι στο φορτίο R των 7 Ωμ.
Λύση
Προσομοίωση Σύνδεση ηλεκτρικών πηγών σε σειρά
Σύνδεση πηγών παράλληλα
Στην παράλληλη σύνδεση όλες οι πηγές πρέπει να είναι πανομοιότυπες, δηλαδή να έχουν την ίδια ΗΕΔ Ε και την ίδια εσωτερική αντίσταση r. Διαφορετικά θα ρέει ρεύμα από τη μια πηγή στην άλλη χωρίς να καταλήγει στον καταναλωτή, με αποτέλεσμα να εξαντλούνται οι πηγές χωρίς να αποδίδουν ρεύμα στον καταναλωτή.
Στην παράλληλη συνδεσμολογία συνδέονται μαζί οι θετικοί πόλοι όλων των πηγών και σχηματίζουν έτσι τον θετικό πόλο της συστοιχίας. Το ίδιο γίνεται και με τους αρνητικούς πόλους.
- η ισοδύναμη ηλεκτρεγερτική δύναμη στην παράλληλη συνδεσμολογία ισούται με την ηλεκτρεγερτική δύναμη E της κάθε πηγής.
- Η ισοδύναμη εσωτερική αντίσταση rολ είναι το πηλίκο της ηλεκτρεγερτικής δύναμης Ε της κάθε πηγής δια τον αριθμό των πηγών (ν).
- Στην παράλληλη συνδεσμολογία δεν αυξάνει η ΗΕΔ της συστοιχίας,
- Η ένταση του ρεύματος που διαρρέει τον καταναλωτή ισούται με το άθροισμα των εντάσεων των πηγών. Έτσι, αν Ι είναι η ένταση ρεύματος κάθε πηγής και ν είναι ο αριθμός των πηγών.
Παράδειγμα
Για το διπλανό κύκλωμα με Ε = 2 volt και r = 3 οhm να υπολογιστεί:
α) Η ισοδύναμη Ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής Εολ.
β) Η ισοδύναμη Εσωτερική αντίσταση rολ.
γ) Η Ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος Ι στο φορτίο R των 9 Ωμ.
Λύση
Προσομοίωση Σύνδεση ηλεκτρικών πηγών παράλληλα
Μικτή συνδεσμολογία
Στη μικτή συνδεσμολογία έχουμε κλάδους οι οποίοι αποτελούνται από πηγές που συνδέονται σε σειρά ενώ ταυτόχρονα αυτοί οι κλάδοι συνδέονται μεταξύ τους παράλληλα.
Για να μπορούν όμως οι επιμέρους συστοιχίες να συνδεθούν παράλληλα πρέπει, όπως είπαμε παραπάνω, να έχουν την ίδια ΗΕΔ Ε και την ίδια εσωτερική αντίσταση r. O ευκολότερος τρόπος για να πραγματοποιηθεί αυτό είναι o κάθε παράλληλος κλάδος να αποτελείται από τον ίδιο αριθμό πανομοιότυπων πηγών (στο παραπάνω σχήμα έχουμε δύο ίδιες πηγές σε κάθε παράλληλο κλάδο).
Παράδειγμα
Για το κύκλωμα με Ε = 2 volt και r = 1 οhm να υπολογιστεί:
α) Η ισοδύναμη Ηλεκτρεγερτική δύναμη της πηγής Εολ.
β) Η ισοδύναμη Εσωτερική αντίσταση rολ.
γ) Η Ένταση του ηλεκτρικού ρεύματος Ι στο φορτίο R των 9 Ωμ.
Λύση
Προσομοίωση Μικτή σύνδεση πηγών